MEDIÇÃO E ANÁLISE DO CONSUMO ENERGÉTICO DA ÓRTESE ORTHOLEG NOS MOVIMENTOS
DE LEVANTAR E SENTAR
FLÁVIO PINHEIRO DA COSTA1, MÁRCIO VALÉRIO DE ARAÚJO 1, VANESSA GABRIELA DE SOUZA MORAES 1, ,PABLO
1
JAVIER ALSINA.
1.
Laboratório de Robótica , Departamento de Engenharia de Computação e Automação ,Universidade
Federal do Rio Grande do Norte, 59078-900 Lagoa Nova, Natal, RN
E-mails: [email protected], [email protected],
[email protected], [email protected]
Abstract The electric current measurement of robotic devices is often used to estimate the energy consumption, therefore this
parameter can be used to improve the efficiency, and in the case of devices that use batteries as an energy source, it is pos sible to
estimate the battery life or adjust a battery to certain autonomy. To measure the electric current a data acquisition’s electronic
board using a microcontroller and current sensors has been developed, as well various electronic components. The values of the
currents measured by the board are sent, via USB cable to a computer in real time for analysis and visualization of their beha vior. This current acquisition’s board has the application to estimate the energy consumption of electric actuators responsible for
triggering the joints of an active orthosis for lower limbs during the movement of sitting and standing. The measuring board
showed satisfactory results, in the fact that the device is able to make up to four simultaneous measurements in real-time variation of the electric current.
Keywords Robotic devices, energy consumption, Autonomy, Microcontroller, Active orthosis
Resumo A medição da corrente elétrica de dispositivos robóticos é bastante utilizada para estimar o consumo energético, portanto esse parâmetro pode ser usado para melhorar a eficiência, e no caso de dispositivos que usam baterias como fonte de energia, é possível estimar a autonomia da bateria ou dimensionar uma bateria para uma determinada autonomia. Para medir a corrente elétrica foi desenvolvida uma placa de aquisição de dados usando um microcontrolador e sensores de corrente, além de diversos componentes eletrônicos. Os valores das correntes medidas pela placa são enviados, via cabo USB, para um computador
em tempo real para analise e visualização de seu comportamento. Essa placa de aquisição de corrente tem como aplicação est imar o consumo energético de atuadores elétricos responsáveis por acionar as juntas de uma órtese ativa para membros inferiores
durante o movimento de sentar e levantar. A placa de medição apresentou resultados satisfatórios, visto que a mesma é capaz de
fazer até quatro medidas simultâneas e em tempo real da variação da corrente elétrica.
Palavras-chave Dispositivos robóticos, Consumo energético, Autonomia, Microcontrolador, Órtese ativa
1 INTRODUÇÃO
A análise do consumo energético de dispositivos
robóticos destinados a reabilitação pode ser uma
ferramenta útil para se determinar a autonomia de
uso e compreender o funcionamento desses
equipamentos em determinadas condições de
operação. Alguns artigos científicos já estão
apresentando resultados preliminares sobre medição
de corrente elétrica dos atuadores de órteses robóticas
para membros inferiores como é o caso do trabalho
de Peter (Neuhaus, 2011).
Dispositivos robóticos ortopédicos a cada dia estão se tornando mais populares, todavia, ainda há
poucos trabalhos sendo publicados nessa área
apresentando o consumo energético. A busca de uma
melhor eficiência energética desses dispositivos é de
interesse de diversos grupos de pes- quisas e de
empresas.
Uma órtese ativa para membros inferiores é um
dispositivo robótico que auxilia na locomoção de
pessoas com mobilidade reduzida, o estudo do comportamento energético desses dispositivos robóticos é
importante para selecionar e executar movimentos
mais eficientes e também para se determinar a autonomia das baterias. Os seres humanos evoluíram a
sua forma de caminhar e realizar outros movimentos
ao longo dos tempos, mas alguns parâmetros ainda
influenciam no consumo energético como a velocidade, tamanho do passo, peso corporal, inclinação do
terreno percorrido, entre outros, esses mesmos fatores podem ser usados para analisar se as órteses ativas para membros inferiores também variam o seu
consumo energético em função da velocidade, tamanho do passo, frequência da passada, etc.
Movimentos como sentar e levantar podem ser
mais ou menos eficientes, dependendo da forma como ele é realizado, todavia, o ser humano tende sempre a minimizar o consumo energético durante a realização desses movimentos, deslocando o centro de
massa do corpo, fazendo com que ele fique projetado
para a área onde os pés estão em contato com o chão,
usar apoios para se levantar ou até mesmo modificando a velocidade altera significativamente o consumo energético desse movimento.
Para melhorar a eficiência energética em órteses
ativas para membros inferiores é necessário investir
em materiais mais leves e resistentes para a construção da estrutura mecânica, utilizar sistemas eletrônicos e de controle mais eficazes, atuadores mais eficientes e, além disso, realizar movimentos que diminuam o gasto energético. Uma maneira de descobrir
quais são os movimentos que gastam menos energia é
através da medição do consumo energético da órtese
enquanto ela executa algumas tarefas como caminhar,
sentar e levantar, subir e descer degraus, passar por
cima de pequenos obstáculos, dessa forma tem-se um
melhor entendimento do consumo energético em função dos movimentos realizados.
Atualmente não se conhece nenhum trabalho que
visa levantar o consumo energético de tais dispositivos e com base nas informações obtidas tentar melhorar a eficiência energética, portanto é fundamental
pesquisar sobre esses temas que tem aplicação imediata e trarão benefícios em curto prazo. O objetivo
desse trabalho é apresentar um sistema microcontrolado de medição de corrente elétrica embarcado em
uma órtese ativa para membros inferiores utilizado
para estimar o consumo energético dos atuadores
elétricos durante a realização de vários movimentos.
Neste trabalho são estimados o consumo energético
dos movimentos de sentar e levantar.
2 ÓRTESES ATIVAS PARA MEMBROS
INFERIORES
Uma órtese é um mecanismo ortopédico não invasivo, posicionado externamente, cuja função é alinhar, prevenir ou corrigir deformidades ou até mesmo para melhorar a função das partes móveis do corpo. Órteses ativas utilizam atuadores para produzir o
movimento nos membros de uma pessoa que é incapaz de executá-los por si só, sendo ocasionado devido a algum tipo de paralisia, como lesão medular, ou
até mesmo por falta de força, no caso de pessoas com
problemas musculares. Já as órteses ativas para
membros inferiores têm como aplicação permitir que
pessoas sem movimentos ou com mobilidade reduzida nas pernas possam se locomover com um padrão
de marcha semelhante a um indivíduo saudável.
Órteses ativas para membros inferiores são dispositivos basicamente constituídos por um conjunto
de estruturas rígidas unidas por juntas rotacionais e
acionadas por atuadores que podem ser elétricos,
hidráulicos, pneumáticos, entre outros. Cada articulação pode possuir um ou mais graus de liberdade, suficiente para produzir os diversos tipos de movimentos em cada junta atuada (Pons, 2008).
Diversos grupos de pesquisas já estão desenvolvendo trabalhos sobre órteses ativas, entre eles algumas universidades brasileiras. Os principais desenvolvedores de órteses ativas para membros inferiores
são as empresas Ekso Bionics (EUA), Argo Medical
Technologies (Israel) e Rex Bionics (Nova Zelândia),
pois já comercializam seus produtos como apresentou (Dollar, 2007), (Low, 2011).
A órtese ativa apresentada pela Ekso Bionics
corresponde a uma estrutura mecânica com diversos
apoios no usuário através de cintas elásticas. Este
dispositivo apresenta uma mochila contendo o sistema eletrônico embarcado e a bateria recarregável de
4 horas de autonomia. Esta órtese é capaz de suportar
um usuário de até 100 Kg e com altura entre 1,6 e 1,9
metros. Para evitar a queda do usuário o mesmo tem
que se locomover usando muletas ou um andador,
proporcionando uma condição de três pontos de equilíbrio durante a locomoção, o que proporciona uma
maior segurança na locomoção e certa autonomia
para realizar curvas utilizando as muletas (Strickland,
2012) e (Ekso, 2014).
A empresa Argo Medical Technologies desenvolveu uma órtese ativa para membros inferiores com
o intuito de ajudar pessoas paraplégicas a se locomoverem e realizar tarefas do cotidiano como caminhar,
subir e descer escadas e sentar. A órtese denominada
REWALK já é distribuída em centros de reabilitação
de diversos países e é constituída por motores de
corrente continua, baterias recarregáveis, um conjunto de sensores e uma interface homem-máquina localizada no pulso do usuário na forma de um bracelete
com diversos botões que controlam a órtese por meio
de transmissão sem fio. O usuário usa um par de muletas para manter a estabilidade, segurança da caminhada e distribuir o peso total em uma condição de
equilíbrio semelhante ao da Ekso Bionics (Argo,
2014).
Uma órtese, também ativa, construída pela empresa Rex Bionics denominada REX é controlada por
um joystick, realizando os movimentos de caminhar,
subir e descer degraus e andar em ambientes com
aclives e declives. Contem uma bateria recarregável
de até 2 horas de autonomia. O sistema não usa apoios na locomoção, pois apresenta controle de estabilidade, mas sua velocidade na caminhada é bastante
inferior as outras duas órteses proporcionando um
grande problema na locomoção em ambientes abertos, principalmente para realizar atividades triviais
que necessitam de agilidade para executá-las, como
atravessar uma faixa de pedestre em uma condição
limitada de tempo (Rex, 2014).
Em 2011 foi publicado por Quintero um trabalho
onde é apresentada uma órtese ativa para membros
inferiores dotada de motores elétricos com caixa de
redução (24:1) capazes de produzir um torque contínuo de 12 Nm (H. Quintero, R. Farris, and M. Goldfarb,2011) Com o auxílio desse dispositivo, um
usuário paraplégico conseguiu realizar uma série de
movimentos como levantar e caminhar apoiado em
barras laterais de sustentação. Neste artigo são apresentadas medidas de corrente elétrica, todavia, não é
feito nenhum comentário em relação da utilização
dessa medida.
Na Universidade Federal do Rio Grande do Norte, foi desenvolvido, pelo grupo de Robótica e Sistemas Dedicados do Departamento de Computação e
Automação (DCA/UFRN) um protótipo de órtese
ativa com atuação nos membros inferiores, ao qual
foi batizada de Ortholeg (M. Araujo and P. Alsina,
2015). Este protótipo foi projetado inicialmente para
ser usada por um indivíduo com peso entre 50 kg e
60 kg e altura entre 1,55 metros e 1,65 metros. Na
próxima seção são apresentadas mais informações
sobre a órtese Ortholeg e a arquitetura do sistema de
medição
de
corrente.
3 ÓRTESE ORTHOLEG
A órtese Ortholeg apresenta atualmente uma estrutura pseudo-antropomórfica com dimensões estruturais reguláveis para melhor conforto e utilização do
usuário, além de apresentar um sistema de fixação do
usuário através de um colete ortopédico e calhas de
plástico, auxiliadas por cintas com velcro localizadas
em pontos estratégicos no tórax e nas pernas para
desempenhar uma melhor segurança e conforto. Para
garantir uma maior segurança e equilíbrio durante os
movimentos, o usuário da órtese utiliza muletas.
A Ortholeg é constituída por um conjunto de estruturas rígidas unidas por juntas rotacionais, através
de atuadores rotacionais elétricos fixadas nas juntas
dos joelhos e do quadril. Cada articulação possui
apenas um grau de liberdade, produzindo os movimentos de extensão e flexão em ambas as juntas, possibilitando a realização dos movimentos de caminhada, subir e descer escadas, transpor pequenos obstáculos, sentar e levantar (Araújo, 2009). A Figura 1
mostra a imagem da órtese Ortholeg.
responsável por realizar o controle da locomoção.
Essa interface homem-máquina é baseada em botões
que ficam instalados na muleta.
O sistema eletrônico embarcado é usado para interpretar os comandos de alto nível pré-definidos
oriundos da interface e determinar o tipo de movimento que a órtese vai realizar, gerando ângulos de
referências para o controlador que por sua vez acionará os motores das juntas fazendo com que elas realizem os movimentos pretendidos. As posições angulares de cada junta são medidas pelos encoders posicionados no eixo dos atuadores elétricos e pelas chaves de fim de curso fixadas em cada junta.
Cada encoder gera uma sequência de pulsos, cuja frequência é proporcional à velocidade do motor,
proporcionando a medição da posição angular de
cada junta de forma precisa, permitindo um melhor
controle de posicionamento da órtese. As chaves fim
de curso proporcionam um sistema de segurança,
onde impedem que as articulações atinjam os limites
mecânicos e fornecem referencias dos limites dos
ângulos (Araújo, 2012).
Sensores medem a corrente elétrica de cada atuador e envia essas informações para o computador
embarcado em tempo real. A medição do consumo
energético dos atuadores pode ser utilizada para definir o consumo energético da órtese ao realizar alguns
movimentos, investigar possíveis falhas e até mesmo
o mau funcionamento dos atuadores.
A Figura 2
apresenta a arquitetura de hardware da órtese Ortholeg.
Figura 2. Arquitetura de hardware embarcada na órtese.
4 METODOLOGIA
4.1 MEDIÇÃO DO CONSUMO ENERGÉTICO DA
ÓRTESE
Figura 1. Protótipo da órtese Ortholeg
.
Além disso, a órtese apresenta uma interface homem-máquina que envia comandos de alto nível via
porta USB para um sistema eletrônico embarcado
Anos de evolução proporcionaram aos seres humanos uma forma de caminhar que economizasse o
máximo de energia. Estudos na área de biomecânica
do corpo humano relacionam a energia consumida
para realizar um dado movimento em função de algumas variáveis como a velocidade com que o movimento é realizado, inclinação do plano de locomoção e até mesmo o próprio metabolismo do corpo que
dependendo do peso, altura e massa corporal da pessoa poderão apresentar consumos diferentes para um
mesmo movimento.
Como a órtese Ortholeg realiza movimentos graças aos atuadores elétricos a melhor forma de medir o
consumo energético é utilizado sensores de corrente
elétrica.
Para realizar a medição do consumo energético
da órtese, foi desenvolvida uma placa de aquisição de
dados que usa sensores de corrente e um microcontrolador (Arduino Mega) que converte os valores
analógicos gerados pelos sensores em dados digitais.
Os dados coletados são enviados para o computador
via cabeamento USB. A Figura 3 apresenta a
arquitetura da placa de aquisição desenvolvida
Figura 3. Arquitetura básica do sistema de medição de corrente
Para a captação da corrente elétrica foi utilizado
um sensor de corrente elétrica, baseado no efeito
Hall, capaz de medir correntes elétricas entre ± 30
amperes. Este sensor produz uma tensão elétrica de
saída proporcional à corrente medida na seguinte
relação: 185mV/A. O microcontrolador da placa
converte o sinal analógico de saída do sensor em
sinal digital que por sua vez é enviado via conexão
USB para o computador embarcado.
O computador embarcado recebe as informações
da corrente de cada motor e ao mesmo tempo a posição angular de cada junta, com isso é possível gerar
gráficos que mostram a variação da corrente elétrica
e a variação dos ângulos das juntas em função do
tempo. Isso torna possível identificar em quais etapas
dos movimentos o gasto energético é maior ou menor, com isso é possível elaborar estratégias para
diminuir o consumo como, por exemplo, usar a gravidade a favor na hora de sentar.
Considerando que a eficiência máxima dos motores (η) é da ordem de 91%, segundo o fabricante, e a
tensão nominal nos atuadores (Vg) é constante, a
variação média da corrente elétrica i(t) nos atuadores
e a diferença entre os tempos de coleta (Δt), representados na Equação 1 é possível determinar o consumo energético dos movimentos. Onde Pg(t) é a
potência, produto da corrente com a tensão constante.
(1)
Como dito anteriormente, a órtese Ortholeg é capaz de realizar vários movimentos, uns mais simples,
como sentar e levantar e outros mais complexos como subir e descer degraus. A princípio, este trabalho
irá determinar o consumo energético do movimento
de sentar e levantar, pois é exatamente nesse caso
onde os torques de acionamento das articulações são
maiores, conforme foi apresentado em (Araújo, 2010).
Os movimentos de sentar e levantar foram realizados com um adulto saudável do sexo masculino
com 55 kg de massa, altura 1,67 metros e 23 anos de
idade. Foram utilizadas duas muletas para auxiliar na
realização dos movimentos. Inicialmente o usuário
foi instruído a não realizar esforços excessivos com
as muletas e se possível nenhum esforço dos membros
inferiores, na finalidade de se aproximar ao máximo
de um usuário com paraplegia.
Foram realizados 10 experimentos para o movimento de sentar e levantar. A Ortholeg realiza os
movimentos de sentar e levantar em aproximadamente 2,9 e 3,2 segundos, respectivamente. Inicialmente
os ângulos do joelho e quadril, na posição em pé,
estão levemente flexionados com 5° e 15° respectivamente (ver Fig. 4), quando a órtese senta esses
ângulos passam um pouco de 60°.
Figura 4 – Variação dos ângulos das juntas do quadril e dos
joelhos em função do tempo: a) movimento de sentar e b)
movimento de levantar
Em seguida a órtese levantou, retornando os ângulos para as posições angulares de 5° e 15° novamente. A Fig. 5 mostra a variação dos ângulos do
joelho e quadril para o movimento de levantar.
Para cada movimento de sentar e levantar eram
medidas as correntes elétricas dos 4 motores. Posteriormente esses valores foram colocados em uma
planilha para o cálculo do consumo e das médias dos
consumos para cada articulação e no final foram somados todos os consumos dos atuadores para obter o
consumo total para o movimento de sentar e levantar.
5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS
As variações das correntes elétricas em função
do tempo gasto para levantar ou sentar são apresentadas nesta seção.
Foram realizados 10 experimentos para os
movimentos de sentar e levantar, porém é
apresentado somente um deles como exemplo. A
Figura 5 mostra o comportamento da corrente
elétrica nos atuadores do quadril esquerdo e do
quadril direito.
isolado de cada atuador elétrico nas juntas do quadril
esquerdo e direito e joelho esquerdo e direito.
A tabela 1 apresenta a soma dos consumos dos
atuadores do quadril e joelhos para cada tipo de movimento e o consumo total (soma dos consumos do
joelho e quadril) também para cada movimento.
Tabela 1 – Consumo energético da órtese
Ortholeg
Consumo energético para o
movimento de
sentar (mWh)
Consumo
energético
para o
movimento
de levantar
(mWh)
Consumo
energético
para o
movimento
de sentar e
levantar
(mWh)
Atuadores
do quadril
28,47
22,67
51,14
Atuadores
dos joelhos
33,47
27,81
61,58
Consumo
energético
da órtese
62,24
50,47
112,72
Soma da
média do
consumo
energético
dos atuadores
6 DICUSSÃO
Figura 5 – Variações da corrente elétrica no atuador elétrico
em função do tempo dos movimentos de sentar e levanter: a)
quadril esquerdo e b) quadril direito
A Figura 6 apresenta respectivamente o
comportamento da corrente elétrica nos atuadores do
joelho esquerdo e joelho direito para os
experimentos de sentar e levantar.
Em virtude do usuário ter utilizado muletas
para auxiliar no movimento de levantar, o consumo
foi menor do que para o movimento de sentar. O
espera- do era que o consumo fosse maior no
movimento de levantar, haja vista que os esforços
são realizados contra a força peso.
O mesmo estudo poderá ser realizado sem a
pre- sença de um usuário, ou seja, a órtese Ortholeg
reali- zando os movimentos de sentar e levantar sem
carga, dessa forma não existe força realizada pelo
usuário com as muletas. Todavia o objetivo final
desse traba- lho era medir o consumo em condições
reais de uso.
7 CONCLUSÃO
Figura 6 – Variações da corrente elétrica no atuador elétrico
em função do tempo dos movimentos de sentar e levanter: a) joelho
esquerdo e b) joelho direito
A partir dos dados da corrente foi então calculado o consumo energético com base na Equação 1.
A tensão em cada motor é de aproximadamente
24V. Foi possível observar o comportamento
O sistema de medição de corrente elétrica apresentado neste trabalho é uma ferramenta
desenvolvida para analisar como os atuadores
consomem ener- gia durante a realização dos
movimentos.
A
placa
construída
mede
simultaneamente a corrente de quatro atuadores,
muito embora seja possível expandir esse número
caso seja necessário futuramente.
Com a variação das correntes elétricas foi possível saber o consumo energético de cada atuador e de
cada perna para ambos os movimentos e também o
consumo total real.
Futuramente espera-se determinar a forma como
a corrente elétrica varia para outros movimentos mais
complexos e em seguida traçar ações que visam diminuir o consumo de energia desses dispositivos,
tornando-o mais eficientes.
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